矿井瓦斯涌出量预测-讲义

q1、q2——对应于H1、H2的相对瓦斯涌出量，m3/t。
H
H2 H1 H0 q0 q1 q2 q
利用求得的瓦斯梯度，可对深部的瓦斯涌出量进行预测：
H  H1 a q  q1
H  H1 q  q1  a
式中 q——待求深度的相对瓦斯涌出量，m3/t； H——对应于q的深度，m。
1.2 一元回归法
掘进落煤绝对瓦斯涌出量Q2（m3/min）可表示为： Q2=每分钟落煤量×(煤层瓦斯含量－煤的残存瓦斯含量)
（6）采空区瓦斯涌出
采空区可分为生产采区采空区和已采采区采空区。生产采区采空区包 括生产采区内的已采工作面、残留煤柱、已掘巷道、报废巷道、采区内 各种峒室等，已采采区采空区包括老采区、开拓巷道、井底车场内各种 峒室等。 从目前的研究现状来看，影响采空区瓦斯涌出的因素很多，采空区瓦 斯涌出量很难准确计算。各国都是采用采空区瓦斯涌出系数来估算采空 区的瓦斯涌出量。采空区瓦斯涌出系数可分为生产采区采空区瓦斯涌出 系数和已采采区采空区瓦斯涌出系数。
出的煤量计算的。如果煤层厚度大，不能一次采全高，没有采出的煤也 会向采掘空间涌出瓦斯。所以，煤层厚度与采高的比值越大，相对瓦斯 涌出量也越大。
掘进巷道排放瓦斯的 影响 工作面回采之前，
已掘进的回风巷和运输 巷会使工作面内沿巷道 方向形成一定宽度的瓦
斯排放带。瓦斯排放带
越宽，回采过程中涌出 的瓦斯量将越小。
b1
Hq  ( H )( q) / n    H  ( H ) / n
2 2
b0  q  b1H

统计检验
q
H
相关系数：
r
  H
2
 Hq  ( H )( q) / n  ( H ) / n      q  ( q )
2 2
2
/ n 
,
0  r 1
2.2 前苏联提出的预测公式
（1）开采煤层（包括围岩）相对瓦斯涌出量
m0 qk  k1 (k2  k3 )( x0  x1 ) m
式中 qk——开采煤层（包括围岩）相对瓦斯涌出量，m3/t； k1——围岩瓦斯涌出系数。全部陷落法管理顶板，k1=1.25； 局部充填法，k1=1.20；全部充填法，k1=1.10； m0——煤层厚度，m；
胀变形带。位于顶底板冒落带和裂隙带内的邻近煤层中的瓦斯，在瓦斯
压力梯度作用下，会不断涌入开采煤层的采掘空间。 邻近煤层的瓦斯涌出量主要与下面一些因素有关： 邻近层与开采层的层间距 出瓦斯。 邻近层的瓦斯含量和残存瓦斯含量 邻近层的瓦斯含量越大、残存瓦 层间距越小，邻近层越容易向开采煤层涌
斯含量越小，涌入开采煤层采掘空间的瓦斯量就会越大。 邻近层数目 要计算邻近煤层的瓦斯涌出量，需要将若干临近煤层的
煤的残存瓦斯含量
煤中的瓦斯全部解吸需要较长的时间。煤炭运至
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地表后仍然含有部分瓦斯。运至地表后单位重量的煤中所含的瓦斯量称 为煤的残存瓦斯含量。残存瓦斯含量的大小主要与煤的变质程度有关。 通常，煤的变质程度越高，其残存瓦斯含量越大，这是由于不同变质程 度的煤其孔隙结构不同。 煤层厚度与采高的比值 相对瓦斯涌出量是根据绝对瓦斯涌出量和采
生产要求。在这种情况下，应在各个构造分区分别计算瓦
斯涌出量梯度或回归方程，分区进行瓦斯涌出量预测。
2 瓦斯含量法
这种方法以煤层瓦斯含量为基本的预测参数，通过计算井下各涌出源的瓦斯 涌出量 ，得到矿井或某一预测范围的瓦斯涌出量预测值。
2.1 矿井瓦斯涌出来源
矿井瓦斯的涌出来源如图所示，包括7个基本涌出源：
r 2 Q0  0.026 x0  0.0004( V )  0.16  
（4）掘进落煤绝对瓦斯涌出量
Q2  m0bVd ( x0  x1 )
式中 Q2——掘进落煤绝对瓦斯涌出量，m3/min； m0——巷道中的煤层厚度，m； b——巷道宽度，m； V——掘进速度，m/min； d——煤的容重，t/m3。 （5）矿井相对瓦斯涌出量
2.3 分源预测法——抚顺分院的改进公式
（1）开采煤层（包括围岩）相对瓦斯涌出量
① 薄及中厚煤层不分层开采时按下式计算：
方法通过建立包括开采深度在内的多变量数学模型，对矿井未采
区域的瓦斯涌出量进行预测。
1 矿山统计法
1.1 瓦斯梯度法
所谓瓦斯梯度，是指甲烷带内相对瓦斯涌出量平均每增 加1m3/t时深度的增加量 。
H 2  H1 a q 2  q1
式中 H1、H2——瓦斯风化带以下两次测定涌出量的深度，m，H2＞H1；
工作面丢煤的影响
回采工作面的煤并不能全部开采出来，都用一定
的回采率。丢失在工作面内的煤也会涌出瓦斯。而相对瓦斯涌出量是根 据采出的煤量计算的，所以工作面丢煤越多，相对瓦斯涌出量越大。
（2）邻近煤层瓦斯涌出
煤层开采过程中，围岩原有的应力状态遭到破坏，煤层顶板会依次出 现冒落带、裂隙带、整体移动带，煤层底板会依次出现裂隙带、整体膨
矿井瓦斯涌出量预测方法研究现状
从国内外研究现状来看，矿井瓦斯涌出量预测方法可分为两类：
一类是建立在数理统计基础上的矿山统计法，这种方法依据矿井 瓦斯涌出量随开采深度变化的统计规律，外推到预测的新区；另 一类是以煤层瓦斯含量为基本预测参数的瓦斯含量法。 瓦斯地质数学模型法是近年来提出的一种新的预测方法，这种
矿井瓦斯涌出量预测
张子戌
基本概念
矿井瓦斯涌出量——在矿井建设和生产过程中涌出到采掘空间的瓦斯数量。 绝对瓦斯涌出量——单位时间内涌出的的瓦斯量，m3/min, m3/d。 相对瓦斯涌出量——矿井在正常生产条件下，平均日产一吨煤所涌出的 瓦斯量， m3/t。
式中 q ——相对瓦斯涌出量，m3/t； Q ——绝对瓦斯涌出量，m3/d； A ——平均日产煤量，t/d；
设 L——巷道长度，m;
n——煤壁暴露面数； m0——巷道中的煤层厚度，m；
V——掘进速度，m/min； Q1——巷道煤壁绝对瓦斯涌出量，m3/min。 则 一 分钟 的 掘 进 面 积 为 nm0V。于 是 ， 整 条 巷 道 的 绝 对 瓦 斯 涌 出 量 （m3/min）相当于一分钟的掘进面积连续涌出瓦斯 L/V分钟。因此，巷道 煤壁绝对瓦斯涌出量可表示为：
m——煤层采高，m；
k2——掘进巷道瓦斯排放系数，k2=(L-2h)/L。前进式开采时，如上 部相邻工作面已采，k2＝1；如上部相邻工作面未采，
k2=(L+2h+2b)/(L+2b)。
L——采煤工作面长度，m；h——瓦斯排放带宽度，无 烟煤及贫煤h=10m，瘦煤及焦煤h=14m，其它煤种h=18m；
12~18 18~26 26~35 35~42 42~50
8~7
7~6 6~5 5~4 4~3 3~2
表中的残存瓦斯含量x1′，应用时应按下式换算为煤层原始瓦斯含量x1：
x1' (100  A f  W f ) x1  100(1  0.31W f )
式中 Wf、Af——煤的水分和灰分，%。 （2）邻近煤层相对瓦斯涌出量
n——矿井内采煤区个数； qki——第i采煤区开采层相对瓦斯涌出量，m3/t；
qli——第i采煤区邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t；
Ai——第i采煤区平均日产煤量，t； m——矿井内掘进巷道条数； Q1j——第j掘进巷道煤壁绝对瓦斯涌出量，m3/min； Q2j——第j掘进巷道落煤绝对瓦斯涌出量，m3/min； A——矿井平均日产煤量，t。
此时，开采煤层的瓦斯含量x0已降低为x0′：
  x0  ( x0  x1 )(1  x0
（3）掘进巷道煤壁绝对瓦斯涌出量
hi ) hp
Q1  nm0VQ0 (2 L / V  1)
式中 Q1——掘进巷道煤壁绝对瓦斯涌出量，m3/min； Q0 ——煤壁瓦斯涌出初始强度，m3/(m2· min)，可用经验公式推算：
k3——煤柱瓦斯涌出系数，k3=∑l/L； ∑l——煤柱沿倾斜方向的宽度，m； x0——煤层瓦斯含量，m3/t； x1——煤的残存瓦斯含量，m3/t。不同变质程度煤的残存瓦斯含量 见下表。
运到地表的煤中残存瓦斯含量
煤的挥发分 Vr(%) 2~8 残存瓦斯含量 x1’(m3/t可燃质) 12~8
8~12
根据前苏联的研究，煤壁瓦斯涌出强度符合下列经验公式：
Qt  Q0 / t  1
式中 Qt——t时刻煤壁瓦斯涌出强度，m3/(m2· min)； Q0——煤壁瓦斯涌出初始强度，m3/(m2· min) ；
t——煤壁暴露时间，min。
初始强度Q0可以在巷道中实测。从公式可以看出，煤壁瓦斯涌出强度 Qt与暴露时间t呈幂函数关系。
矿井瓦斯涌出
生产采区瓦斯涌出
已采采区采空区瓦斯涌出
回采工作面瓦斯涌出
生产采区采空区瓦斯涌出
掘进巷道瓦斯涌出
开采煤层瓦斯涌出
邻近煤层瓦斯涌出
围岩瓦斯涌出
巷道煤壁瓦斯涌出
掘进落煤瓦斯涌出
矿井瓦斯涌出来源
（1） 开采煤层瓦斯涌出
开采煤层瓦斯涌出量的大小主要受以下一些因素的影响： 煤层瓦斯含量 煤层瓦斯含量越大，涌出的瓦斯量越多。

曲线回归
q
q  b0 H b1
H
lg q  lg b0  b1 lg H
令: 则:
q  lg q, b0  log b0 , H   lg H
  b1 H  q  b0
1.3 采用矿山统计法预测时需注意的问题
如果某一井田范围内存在较明显的构造分区，而且受地 质构造等因素的影响，不同构造分区的瓦斯涌出量随开采 深度的变化梯度有明显差异，井田内采用一个瓦斯涌出量 梯度或回归方程进行预测，会造成预测误差增大，达不到
Q1   nm0VQt dt   nm0VQ0 / t  1dt  2nm0VQ0 t  1  C
根据Q0的物理意义，当t=0时，Q1= nm0VQ0，故C=-nm0VQ0，于是
Q1  nm0VQ0 (2 t  1  1)  nm0VQ0 (2 L / V  1)
（5）掘进落煤瓦斯涌出
m      n  n  q矿  K    (qki  qli ) Ai  /  Ai  1440 (Q1 j  Q2 j )  / A j 1  i 1       i 1 
式中 q矿——矿井相对瓦斯涌出量，m3/t；
K——采空区瓦斯涌出系数，1.15~1.25；
如果已采区域内有比较多的瓦斯涌出量实测数据，采用回归分析方法
建立瓦斯涌出量对深度的一元线性回归方程，可得到更高的预测精度。
瓦斯涌出量实测数据
单元 编号 1 2 … n 开采深度H （m） 180 320 … 420 相对瓦斯涌出量q (m3/t) 5.8 8.6 … 11.9
q
q=b0+b1H
b0 H
mi hi ql   ( x0i  x1i )(1  ) hp i 1 m
式中 ql——邻近煤层相对瓦斯涌出量， m3/t； n——邻近层数目； mi——第i邻近层厚度，m； m——开采层采高，m；
n
x0i——第i邻近层瓦斯含量，m3/t； x1i——第i邻近层残存瓦斯含量，m3/t； hi——第i邻近层与开采层的层间距，m； hp——采动后煤层顶底板岩石受到影响的范围，m。 顶板的影响范围按下式计算： hp=Zkm(1.2+cosα )
瓦斯涌出量累加起来
邻近层厚度与采高的比值
邻近层厚度相对于开采层采高的比值越大，
以开采煤量计算的相对瓦斯涌出量应该越大。 （3）围岩的瓦斯涌出
煤层的围岩中也含有一定数量的瓦斯，它们以游离状态存在于围岩的
孔隙和裂隙之中。煤层开采过程中，围岩中的瓦斯会很快从岩层中涌出。 但由于围岩的瓦斯含量目前还难以准确测定，因而煤层围岩的瓦斯涌出 量通常采用比例系数来估算，一般按开采层涌出量的5%-25%估算煤层围 岩的瓦斯涌出量。 （4）掘进巷道煤壁瓦斯涌出 讨论巷道煤壁的瓦斯涌出量，涉及到巷道煤壁瓦斯涌出强度（单位时 间、单位面积煤壁的瓦斯涌出量）。
式中 α ——煤层倾角，度；
m——开采层采高，m； Zk——与顶板管理方法有关的系数。采高2.5m，全部陷落法管理
顶板时，Zk=60；局部充填法，Zk=45；全部充填法:Zk=25。
底板的影响范围：hp=35m；急倾斜煤层，hp=Zkm(1.2-cosα )。 当某一邻近煤层已先期开采时，开采煤层已作为邻近层排放了瓦斯。